LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng luận văn “Phân tích ảnh hưởng cọc xi măng đất đến hiệu quả gia cố trong hố đào sâu cho công trình tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh” là bài nghiên cứu củ
TỔNG QUAN
Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Khái niệm hố đào sâu
Hiện tại, chưa có quy định cụ thể về độ sâu của hố đào Tuy nhiên, theo kinh nghiệm thi công và điều kiện địa chất, hố đào từ 3 mét trở lên được coi là hố đào sâu Đối với các hố đào sâu, cần áp dụng biện pháp thi công phù hợp với từng loại địa hình và tính chất của dự án.
Các công trình tiêu biểu của hố đào sâu bao gồm tầng hầm của chung cư, khu thương mại, bể kỹ thuật và bể xử lý nước thải trong các nhà máy công nghiệp.
2.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường vây hố đào a Địa chất Ánh hưởng chuyển vị dựa vào đất tốt và yếu đưa ra kết quả chuyển vị khác nhau, theo Chang Yu Ou (2006) có đề cập chuyển vị ngang lớn nhất của tường nằm ngay tại vị trí đáy hố đào nếu tại vị trí đáy là lớp đất yếu Ngược lại chuyển vị ngang lớn nhất của tường nằm ở phía trên đáy hố đào thì tại ví trí đáy hố đào là lớp đất tốt
Hình 2.1 thể hiện mối liên hệ giữa chuyển vị của tường vây và độ cứng của thanh chống cao qua ba giai đoạn đào: (a) giai đoạn đầu tiên, (b) giai đoạn thứ hai, và (c) giai đoạn thứ ba.
Khi thanh chống có độ cứng cao, tường sẽ chuyển động xoay quanh điểm tiếp giáp với thanh chống, với chuyển vị ngang lớn nhất xảy ra gần đáy hố đào.
Hình 2.2 minh họa mối liên hệ giữa chuyển vị của tường vây và độ cứng của thanh chống thấp qua ba giai đoạn đào Giai đoạn đầu tiên cho thấy sự thay đổi chuyển vị rõ rệt, trong khi giai đoạn thứ hai và thứ ba tiếp tục diễn ra những biến động tương tự.
Khi thanh chống có độ cứng không đủ lớn chuyển vị sẽ có dạng như hình 2.2, chuyển vị ngang lớn nhất sẽ nằm tại vị trí đỉnh tường vây
Nếu lớp đất dưới đáy đào là yếu, lực cản ngang của tường chắn sẽ giảm, dẫn đến biến dạng lớn nhất chủ yếu xảy ra dưới bề mặt đào Ngược lại, khi đào trong đất tốt, biến dạng lớn nhất thường xuất hiện trên bề mặt đào.
Việc chọn loại tường chắn đất cho hố đào sâu cần dựa vào độ sâu công trình, các công trình lân cận, điều kiện địa chất và các yếu tố kinh tế liên quan.
Các loại tường chắn phổ biến bao gồm tường vây, tường barrette, cọc vây và cừ larsen Mỗi loại tường này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, được các nhà nghiên cứu phân tích kỹ lưỡng để xác định tính hợp lý và khả thi trong từng trường hợp.
Nguyễn Ngọc Thắng (2023) đã tiến hành nghiên cứu về việc lựa chọn chiều dày tường vây cho hố đào sâu và khảo sát tường cừ hai lớp cho hố đào sâu Hai nghiên cứu này được thực hiện dựa trên dự án thi công thực tế tại Viện Hàn Lâm, Đống Đa, Hà Nội.
Hình 2.3 Chuyển vị và momen uốn trong thân tường theo mô hình tính (Nguyễn
Nghiên cứu của Ngọc Thắng (2023) cho thấy rằng chiều dày tường vây ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển vị ngang, nhưng lại có tác động lớn đến sự gia tăng momen uốn trong thân tường Do đó, việc chọn chiều dày tường cần dựa trên yêu cầu về độ cứng chịu uốn và momen Hơn nữa, momen uốn mặt trong (momen dương) biến thiên ít hơn so với mặt ngoài (momen âm), với mức biến thiên đạt khoảng 15.5% khi chiều dày tường tăng thêm 20%.
Hình 2.4 Chuyển vị và momen uốn trong thân tường cừ theo mô hình tính (Nguyễn
Nghiên cứu sử dụng cừ hai lớp, khi độ cứng cừ larsen thay đổi cho ra kết quả
Chuyển vị ở hai đầu tường đạt giá trị lớn nhất tại độ sâu khoảng 30,0m Khi độ cứng tăng gấp đôi, chuyển vị ngang giảm khoảng 16,3%, nhưng trong MH3, với việc bổ sung kích chống, chuyển vị ngang giảm 34,9% so với MH2 và 56,9% so với MH1 Momen uốn Mu theo thân tường cừ cho thấy khi độ cứng tăng, momen uốn cũng tăng, với chênh lệch 23,4% cho giá trị lớn nhất (Mumax) khi độ cứng cừ tăng gấp đôi ở MH2 so với MH1 Trong MH3, với kích chống bổ sung cho tường cừ 2 lớp, momen uốn giảm nhanh, gần tương đương với tường một lớp ở MH1, chênh lệch khoảng 2,3% Điều này thể hiện rõ vai trò của kích chống trong việc giảm momen uốn cho tường cừ.
Ou và cộng sự (1993) đã nghiên cứu mối liên hệ giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị ngang của tường vây
Nghiên cứu của Ou và cộng sự (1993) về mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây và chiều sâu hố đào tại Đài Bắc cho thấy rằng chuyển vị ngang lớn nhất trong các tường vây hố đào sâu nằm trong khoảng 0,2-0,5% chiều sâu hố đào, cụ thể là: min = (0,2-0,5%) He.
2.1.3 Phân tích chuyển vị bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Mô hình Plaxis là công cụ hiệu quả cho việc phân tích và tối ưu hóa hố đào Việc lựa chọn loại mô hình và phương pháp sẽ dựa trên đặc trưng cơ lý của đất.
Việc lựa chọn phương pháp phân tích chuyển vị hố đào có ảnh hưởng lớn đến kết quả, dựa trên nguyên lý mô phỏng của phần mềm Bài luận này sẽ tập trung vào hai phương pháp Undrained A (UNA) và Undrained B (UNB) để so sánh và phân tích trong trường hợp mô phỏng đất sét Mô hình UNA và UNB sẽ được trình bày chi tiết để làm rõ sự khác biệt giữa hai phương pháp này.
Việc phân tích sự không thoát nước của đất sét phải được thực hiện với các tham số về cường độ và biến dạng
Các nghiên cứu tương tự
Mai Lâm Tuấn và Lê Văn Hùng (2012) đã nghiên cứu giải pháp kết hợp cọc cừ thép với cọc xi măng đất nhằm bảo vệ mái hố móng sâu trong điều kiện đất yếu và mực nước ngầm cao Nghiên cứu chỉ ra rằng, mặc dù cọc cừ và cọc xi măng đất thường được ứng dụng độc lập trong công tác gia cố mái hố móng, nhưng trong một số trường hợp, việc áp dụng riêng lẻ không đáp ứng được yêu cầu bảo vệ hiệu quả.
Nghiên cứu đã thực hiện tính toán cho ba trường hợp chống đỡ hố móng với các chiều sâu khác nhau, đồng thời bố trí các vị trí cây chống tương ứng với từng chiều sâu H đã giả định, trong điều kiện mực nước ngầm cách mặt đất 1.5m Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành tính toán kết cấu tường chắn, thanh chống và thực hiện các biện pháp chống thấm hiệu quả.
Chiều dày lớp xi măng đất ở đáy hố móng phụ thuộc vào chênh lệch mực nước ngầm và đáy hố móng, cần đảm bảo điều kiện chống thấm và ổn định để tránh hiện tượng nổi hố móng Đối với hố móng có thành bên là cọc xi măng đất kết hợp cừ thép, lượng nước thấm qua thành bên là không đáng kể, chủ yếu thấm từ đáy hố móng trở lên Việc kết hợp cọc cừ và cọc xi măng đất giúp tận dụng ưu điểm của hai loại hình gia cố, tạo biên hố móng chính xác và ngăn chặn hoàn toàn nước thấm vào hố móng, đặc biệt trong trường hợp hố móng sâu và có mực nước ngầm cao.
Trần Nguyễn Hoàng Hùng và cộng sự (2013) đã nghiên cứu về đặc tính của Soilcrete được tạo ra bằng hệ thống phụt vữa một pha tại Hồ Chí Minh Nghiên cứu cho thấy phương pháp cọc xi măng đất có đường kính từ 1 m trở lên có thể thi công trên địa chất đất sét mềm mà không làm hư hại lớp đất trên cùng hoặc các cấu trúc lân cận, thích hợp cho các khu vực có khoảng cách giới hạn Tuy nhiên, cọc xi măng đất vẫn chưa được thử nghiệm thành công tại TP.HCM và cần xác nhận trước khi áp dụng rộng rãi Bốn thí nghiệm hiện trường được thực hiện ở Bình Quận Thạnh và Quận 9 cho thấy cọc xi măng đất một pha có thể đạt đường kính lên đến 1,7 m, với cường độ nén không giới hạn từ 1 MPa trở lên sau 28 ngày đóng rắn, và chiều dài cọc có thể lên tới 12 m.
Nguyễn Minh Tâm và Hoàng Bá Linh (2013) đã nghiên cứu giải pháp jet grouting nhằm giảm thiểu chuyển vị ngang của hố đào, một vấn đề thường gây thiệt hại cho các công trình lân cận Việc giảm chuyển vị ngang của tường vây là cần thiết để đảm bảo an toàn Bài viết trình bày ứng dụng phun vữa cao áp trong điều kiện địa chất Việt Nam, trong đó một phần đất ở đáy hố đào được thay thế bằng cọc xi măng đất để tăng sức kháng bị động Phương pháp phân tích số được áp dụng để đánh giá hiệu quả của cọc xi măng đất.
Võ Thành Hoan (2016) đã thực hiện luận văn nghiên cứu về ứng xử của tường vây tầng hầm gia cường bằng cọc xi măng đất, tập trung vào phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong quá trình thi công theo phương pháp Semi Top-Down tại khu vực đất yếu ở Tp Hồ Chí Minh.
Kết quả mô phỏng từ hai mô hình Mohr – Coulomb và Hardening Soil đã được so sánh với số liệu thực tế để kiểm chứng tính chính xác của các thông số đầu vào Qua phân tích, mô hình Hardening Soil cho kết quả sát với thực tế hơn, vì vậy nó sẽ được lựa chọn cho các phân tích trong những bài toán tiếp theo.
Kết quả phân tích cho thấy chuyển vị ngang của tường vây lớn nhất xảy ra gần khu vực đáy hố đào Dựa trên các nghiên cứu toàn cầu, tác giả đề xuất giải pháp phun vữa cao áp Jet Grouting để giảm chuyển vị ngang hố đào trong điều kiện địa chất TP.HCM Để tăng sức kháng bị động, một phần đất ở khu vực đáy hố đào sẽ được thay thế bằng các cọc jet grouting (JGPs) Phân tích sẽ được chia thành hai trường hợp nghiên cứu: cột đất gia cường vùng chủ động và cột đất gia cường vùng bị động.
Có 3 phương pháp mô phỏng xét tới đó là
➢ Phương pháp RAS (The real allocation simulation) mô phỏng vật liệu riêng biệt theo tính chất thật của đất nền và JGPs
➢ Phương pháp EMS ( Equivalent material simulation) mô phỏng qui đổi vật liệu tương đương, xem cọc JGPs và đất nền làm việc như một khối duy nhất
Để đánh giá hiệu quả gia cố của các cọc JGPs, cần xem xét cách bố trí chiều dài của từng cọc khác nhau nhằm tối ưu hóa khả năng làm việc của chúng.
Phân tích cho thấy việc gia cường vùng bị động với 7 hàng cọc mang lại hiệu quả tối ưu, giảm chuyển vị tường tới 19.1% Cả hai phương pháp mô phỏng RAS và EMS đều cho kết quả tương tự, chứng minh rằng cọc và đất hoạt động như một khối đồng nhất là hợp lý.
Phạm Văn Minh và cộng sự (2016) đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của trụ đất xi măng đến sự ổn định của vách hố đào trong quá trình thi công tường liên tục Trong các trường hợp có công trình xây dựng lân cận và địa chất phức tạp như đất yếu hoặc cát chảy, việc sử dụng vữa bentonite để bảo vệ vách đào không đảm bảo an toàn Bài báo đề xuất giải pháp kết hợp cọc đất xi măng với vữa bentonite nhằm gia cố vách đào và kiểm soát lún cho các công trình xung quanh Nghiên cứu được mô phỏng trên phần mềm 3D Midas GTS để phân tích lún, chuyển vị ngang và hình thức phá hoại của vách hố đào, đồng thời tìm kiếm phương án tối ưu cho cọc đất xi măng nhằm nâng cao tính an toàn trong quá trình thi công.
Lê Thiết Trung và Đào Triệu Kim Cương (2020) đã thực hiện nghiên cứu về ứng dụng của tường CDM trong xây dựng tầng hầm tại TP Hồ Chí Minh, tập trung vào việc sử dụng tường cọc xi măng đất để bảo vệ hố đào sâu Dữ liệu địa chất được thu thập từ tài liệu khảo sát của dự án và các kỹ sư thiết kế của TELICO đã thực hiện tính toán bằng ba công cụ khác nhau, bao gồm bảng tính do TELICO phát triển, phần mềm PLAXIS 2D và Geoslope Việc thi công tường cọc xi măng đất được thực hiện bởi TELICO, với hệ thống thiết bị đo độ dịch chuyển gắn trong tường để thu thập dữ liệu chuyển vị qua các giai đoạn đào Kết quả đo lường cho thấy vị trí dịch chuyển thực tế lớn nhất tương đồng với dự báo, trong khi số đo tối đa dịch chuyển ngang của tường vẫn dưới mức cảnh báo.
Lê Đức Linh và cộng sự (2021) đã tiến hành nghiên cứu về "Phân tích ổn định tường vây trong hố đào sâu được gia cường bằng cọc xi măng đất", nhằm tăng cường sức đề kháng và cường độ đất của lớp đất bên dưới, nhằm ngăn ngừa mất ổn định và kiểm soát độ lệch tường trong các công trình đào trên nền đất sét mềm Nghiên cứu đã trình bày phương pháp tối ưu bố trí cọc xi măng đất, cho thấy sự bố trí theo dải tường đơn (PA2) và theo khối nằm ngang (PA4) có hiệu quả hơn so với lưới tam giác (PA1), với mức dịch chuyển giảm 20-22% và giá trị nội lực giảm 23% mô-men xoắn và 22% lực Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng cọc xi măng đất để gia cố đáy hố đào ở những khu vực có nền đất yếu, đồng thời lựa chọn cách bố trí cọc hợp lý để tăng cường ổn định cho công trình.
Vũ Bá Thao và Phạm Văn Minh (2020) đã nghiên cứu về sự cố cát chảy trong hố móng sâu khi sử dụng tường cọc khoan nhồi, một phương pháp phổ biến do tiến độ thi công nhanh và chi phí thấp Tuy nhiên, thiết kế không kín giữa các cọc có thể dẫn đến lún sụt và nứt công trình lân cận Bài báo phân tích một công trình hố móng với nền đất yếu và mực nước ngầm cao, không có màng chống thấm, và đề xuất giải pháp khoan phụt tạo cọc xi măng đất để chống thấm và gia cố đất yếu Phân tích chuyển vị và nội lực của tường móng được thực hiện bằng phần mềm FRWS7.2 và Midas NX, cho thấy giải pháp này hiệu quả trong việc xử lý thấm và đẩy trồi, đảm bảo an toàn cho hố móng và công trình xung quanh Kiến nghị rằng các hố móng trong đô thị cần có hạng mục chống thấm từ giai đoạn thiết kế để đảm bảo an toàn.
Nguyễn Thành Trung và cộng sự (2021) đã tiến hành nghiên cứu về việc ứng dụng cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng đất (CDM) kết hợp với cừ Larsen để thi công hố đào sâu trong điều kiện đất yếu tại TP.HCM Nghiên cứu đặc biệt chú trọng đến tác động của quá trình xây dựng công trình ngầm đến các công trình lân cận, trong đó việc ước lượng và giới hạn chuyển vị ngang của hệ thống tường bao là rất quan trọng Phương pháp cải tạo đất này không chỉ giúp hạn chế chuyển vị ngang cho các công trình từ 2 đến 3 tầng hầm mà còn đảm bảo tính kinh tế và an toàn Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy chuyển vị ngang của tường cọc tiệm cận với số liệu quan trắc thực tế.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
River Panorama Block 7&8 tọa lạc tại số 89, Hoàng Quốc Việt, Phường Phú Thuận, Quận 7, TP Hồ Chí Minh
River Panorama là cửa ngõ vào khu đô thị Phú Mỹ Hưng, trung tâm Quận 7, nằm trong đặc khu kinh tế, thương mại và hành chính mới của Thành phố Hồ Chí Minh Dự án này được hưởng lợi từ hệ thống hạ tầng kinh tế - xã hội và các tiện ích hiện đại của Khu Nam Sài Gòn và Phú Mỹ Hưng.
Hình 3.1 Phối cảnh dự án
3.1.1 Đặc thù của dự án River Panorama Block 7&8
Dự án tiếp giáp với River Panorama Block 3&4 và Block 6 đã hoàn thành thi công, trong khi hai mặt còn lại đang được nhà thầu thực hiện thiết kế cừ và gia cố bằng cọc xi măng đất.
Dự án gồm 35 tầng nổi và 2 tầng hầm, thuộc quy mô công trình dân dụng cấp
1 Hầm được thiết kế và thi công theo biện pháp semi topdown
Công trình thiết kế phần hầm độ sâu 10.4m từ đáy móng đại trà và 12.0m từ đáy móng hố pit so với mặt đất tự nhiên
3.1.2 Biện pháp thi công tầng hầm công trình
Phần hầm được thi công theo biện pháp semi topdown, sử dụng cừ larsen 12m xen kẽ cừ 18m và cọc xi măng đất Sự kết hợp này giúp gia cố nền đất tại đáy hố đào, tăng cường độ và mô đun của nền đất khu vực chân cừ larsen, nhằm ngăn ngừa chuyển vị lớn Biện pháp thi công được thực hiện theo một trình tự cụ thể.
Bước 1: Thi công cọc CDM, cừ larsen W400, kingpost
Bước 2: Thi công vành khăn sàn tầng trệt, shoring và gối chống cừ larsen
Bước 3: Đào đất lớp 1 tới cao độ -3.75m
Bước 4: Thi công vành khăn sàn hầm B1, shoring và gối chống cừ larsen
Bước 5: Đào đất lớp 2 đến cao độ đáy sàn hầm, móng
Bước 6: Thi công móng, sàn hầm B2
Bước 7: Thi công vách hầm B2 đạt cường độ
Lấp đất đến cote đáy gối chống cừ larsen hầm B1 và dỡ bỏ gối chống cừ larsen Bước 8: Thi công vách hầm B1 đạt cường độ
Lấp đất đến cote mặt đất tự nhiên và dỡ bỏ hệ chống
Hình 3.2 Mặt cắt thi công
3.1.3 Ứng dụng gia cố cọc xi măng đất tại công trình nghiên cứu
Bài toán thiết kế áp dụng phương pháp gia cố cọc xi măng đất kiểu khung với đường kính 1m Cao độ đầu cọc được xác định dựa trên cao độ đáy sàn, đáy móng đại trà và móng pít.
Hình 3.3 Mặt bằng bố trí cọc CDM
Tại công trình, nhà thầu đã thiết kế gia cố cọc CDM với mật độ 32%, tạo thành hệ cọc khung mà không gia cố hoàn toàn hố đào Vùng gia cố được tính từ mép cừ với khoảng cách là B/2, trong đó B là bề rộng của công trình.
Phương pháp nghiên cứu
Bước 1: Thu thập dữ liệu
Tìm hiểu, tham khảo dữ liệu từ các lý thuyết, các nghiên cứu trước đây ở phạm vi, trong và ngoài nước
Thu thập và tổng hợp các căn cứ hồ sơ địa chất cùng biện pháp thi công của dự án, bao gồm thông số mô hình phần tử hữu hạn, kết quả tính toán và kết quả quan trắc thực tế tại công trường.
Bước 2: Phân tích thông số
Dựa trên hồ sơ địa chất và biện pháp thi công của dự án, chúng tôi đã xây dựng các thông số địa chất cho mô hình Plaxis Kết quả của bước này là cơ sở để đánh giá sự ổn định của hố đào.
So sánh kết quả chuyển vị giữa mô hình và kết quả quan trắc theo từng bước đào cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa lý thuyết và thực tế thi công Những nhận xét này giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công và cải thiện độ chính xác của mô hình.
Bước 3: Điều chỉnh mô hình về thực tế thi công
Qua việc so sánh ở bước 2, chúng ta đề xuất điều chỉnh các thông số để đạt được sự phù hợp giữa mô hình và thực tế Kết quả của bước này là mô hình thông số điều chỉnh, đây là cơ sở cho bài toán phân tích phạm vi gia cố.
Bước 4: Phân tích phạm vi gia cố
Căn cứ mô hình nêu trên, học viên phân tích theo 2 hướng như trình bày bên dưới:
Hướng điều chỉnh giảm là việc điều chỉnh khoảng cách bề rộng vùng gia cố theo tỷ lệ giảm dần với bước 0.1B cho đến 0.5B Điều kiện dừng bài toán bao gồm tường cừ chuyển vị lớn, nội lực hệ chống vượt quá mức cho phép hoặc trường hợp bài toán bị phá hủy Kết quả cho thấy cận dưới của gia cố CDM cho hố đào và ảnh hưởng của việc điều chỉnh giảm.
Hướng điều chỉnh tăng là việc điều chỉnh khoảng cách bề rộng vùng gia cố theo tỷ lệ tăng dần từ 0.1B đến 0.5B Điều kiện dừng của bài toán là khi chuyển vị tường cừ giảm không đáng kể (
